摘 要: 近年城市交通問題凸顯,地鐵作為解決城市交通問題的重要方式,其安全穩(wěn)定運行顯得尤為重要。地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)是整個地鐵系統(tǒng)安全可靠運行的重要保障,對其可靠性進行有效的評估有著重要的價值。介紹了地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)和故障樹" title="模糊故障樹">模糊故障樹理論,運用模糊故障樹對地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性進行分析,并對車站級監(jiān)控系統(tǒng)的故障進行了定性和定量的可靠性分析,拓展了模糊故障樹的使用領域。
關鍵詞: 地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng);模糊故障樹;故障;可靠性
地鐵具有高速、安全、準時、載客量大的特點,是現(xiàn)代城市解決交通擁塞最有效的手段。地鐵一旦發(fā)生事故,輕則影響乘客出行,重則危急生命財產(chǎn)安全,對社會影響極大,所以其運行的可靠性顯得尤為重要。
地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)通過集成地鐵中的主要子系統(tǒng),形成統(tǒng)一的監(jiān)控層硬件平臺和軟件平臺,對各設備進行集中監(jiān)控和管理,同時通過列車時刻表和運行圖控制站場連鎖設備實現(xiàn)車站內(nèi)的高效可靠運行。由ISCS所完成的功能可見,其能否可靠有效工作直接影響到地鐵系統(tǒng)是否安全穩(wěn)定運行,可以通過對ISCS進行系統(tǒng)的可靠性評估,查找出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié),針對這些薄弱點采取措施,降低故障發(fā)生率,提高系統(tǒng)可靠性。
本文以地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)為研究對象,對其發(fā)生故障的各種因素進行分析。在可靠性分析上運用模糊故障樹理論(FFTA),有效地彌補用故障樹(FTA)進行可靠性分析的不足,解決了模糊不確定性的問題。最終確定系統(tǒng)故障原因的各種可能組合方式及其發(fā)生概率,從而可以針對分析結果對系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進行改進,達到提高ISCS可靠性的目的。
1 地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)
地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為一個綜合信息化平臺,集成了多個子系統(tǒng)的中央級功能,并同信號、自動售檢票等系統(tǒng)的中央級互聯(lián),掌握全線設備的運行情況,負責管轄范圍內(nèi)設備監(jiān)控與調(diào)度,其設備主要設置在控制中心,面向的操作對象是運營部門的環(huán)調(diào)、電調(diào)及維修人員[1]。地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用中央級和車站級兩級管理,中央級、車站級和底層設備控制層(現(xiàn)場級)三級控制的分層分布式結構[2]。其系統(tǒng)結構如圖1所示。
地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)由中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)(CISCS)、車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)(SISCS)、車輛段/停車場綜合監(jiān)控系統(tǒng)(DISCS)以及電子維修中心的設備維護系統(tǒng)、培訓管理系統(tǒng)(TMS)、仿真試驗系統(tǒng)(STP)、網(wǎng)絡管理子系統(tǒng)(NMS)等組成。同時還集成了火災自動報警系統(tǒng)(FAS)、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)、電力監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)、綜合安防系統(tǒng)(ISDS)、乘客資訊系統(tǒng)(PIS)、自動售檢票系統(tǒng)(AFC)、通信系統(tǒng)綜合網(wǎng)管子系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)(PA)、屏蔽門系統(tǒng)(PSD)、大屏幕系統(tǒng)、信號系統(tǒng)(SIG)、不間斷電源(UPS)及時鐘系統(tǒng)(CLK)等。
(1)中央級可以對整個線路各個站點系統(tǒng)管轄范圍內(nèi)的設備運行狀態(tài)、故障情況進行監(jiān)視,并向各個站點發(fā)布指令,統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)各個站點的運行。信號、自動售檢票、綜合監(jiān)控等系統(tǒng)均設有中央級。
(2)車站級設備的監(jiān)控功能主要是完成本站點設備監(jiān)控、管理,由綜合監(jiān)控、信號、自動售檢票等車站級系統(tǒng)組成。其中綜合監(jiān)控系統(tǒng)在車站級集成了多個子系統(tǒng)的車站級功能,一方面負責管轄范圍內(nèi)設備監(jiān)視,并根據(jù)本站的情況向下級子系統(tǒng)發(fā)布控制指令,另一方面將本站設備的運行數(shù)據(jù)傳輸給中央級,并接受中央級運行指令。
(3)現(xiàn)場級作為車站級、中央級的被監(jiān)控對象,是車站地鐵機電設備的主體,由BAS、FAS、電力監(jiān)控系統(tǒng)(PSCADA)、PSD、防盜門系統(tǒng)(FG)、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)、PIS、SIG、AFC、門禁系統(tǒng)(ACS)等組成。
2 地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性分析
2.1 故障樹分析法
故障樹分析法FTA(Fault Tree Analysis)是進行系統(tǒng)可靠性分析和安全性分析的重要工具之一[3]。
故障樹分析把系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為分析目標,稱為頂事件;運用邏輯演繹的方法,找出導致頂事件發(fā)生的所有可能直接原因,即中間事件;再跟蹤找出導致這些中間事件發(fā)生的所有可能直接原因;直至尋找到引起中間事件發(fā)生的全部部件狀態(tài),稱為底事件。用相應的代表符號及邏輯門把頂事件、中間事件、底事件連接成樹形邏輯圖,即得到故障樹。根據(jù)故障樹,分析系統(tǒng)發(fā)生故障的各種可能途徑(模式)和可靠性指標,就是故障樹分析方法[4]。故障樹分析分為定性分析和定量分析。定性分析的主要任務是尋找故障樹的全部最小割集(MCS)。在故障樹中,只要有任何一個最小的割集發(fā)生了,那么頂事件就會發(fā)生。定量分析的任務是給每個基本事件賦予一概率值來表征其發(fā)生故障的相對頻繁程度,在概率論的基礎上計算出所有的中間事件和頂事件發(fā)生的概率以及各基本事件的相對重要程度。
2.2 模糊故障樹
模糊故障樹分析FFTA(Fuzzy Fault Tree Analysis)考慮到故障樹分析中的底事件和頂事件發(fā)生概率的不確定性(模糊概率)問題[5]。在傳統(tǒng)故障樹分析中底事件和頂事件是一個確定性的事件,基于概率論,其狀態(tài)只有正常和故障兩種,這樣可以較好地解決系統(tǒng)的隨機性問題。對于大型復雜的系統(tǒng)不僅存在隨機性問題,還存在大量的模糊不確定性問題,引入模糊理論,即認為發(fā)生故障這一事件本身是清晰的,但發(fā)生概率是模糊的,從而使得可靠性理論的研究擴大到能同時處理隨機現(xiàn)象和模糊現(xiàn)象。運用模糊數(shù)理論[5],可得三角模糊數(shù)來給出基本事件概率的可能性分析,實現(xiàn)故障概率的模糊化,解決了難以獲得概率精確值的問題。故障樹中的系統(tǒng)失效與部件失效之間的邏輯關系依舊成立,結構函數(shù)和最小割集等概念仍然有效,即原有的定性分析依然有效,只是要重新定量分析,分為以下幾點:
(1)基本事件發(fā)生概率的可能性分析
對于地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)這樣大型復雜的系統(tǒng),基本事件的故障的模糊數(shù)的隸屬度函數(shù)主要通過工程技術人員的實際經(jīng)驗和判斷來構造,從而較為準確地描述出故障事件的概率,同時在一定程度上允許描述的誤差,具有一定的適應性和靈活性。文章用三角模糊數(shù)來描述基本事件發(fā)生的概率,基本事件失效是一清晰事件,只不過將事件發(fā)生的概率模糊化了。從三角模糊數(shù)可得基本事件發(fā)生的模糊概率[5]表達式為:
(3)模糊重要度分析
模糊重要度是在傳統(tǒng)FTA重要度基礎上產(chǎn)生的,是描述各個基本事件中,某個基本事件的模糊概率變化對頂事件發(fā)生模糊概率變化影響的重要程度的一個指標。
2.3 地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)模糊故障樹分析
地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的模糊故障樹在系統(tǒng)結構基礎上建立,以中央級監(jiān)控系統(tǒng)故障、車站級監(jiān)控系統(tǒng)故障和車輛段/停車場監(jiān)控系統(tǒng)故障為基本事件,地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)為頂事件,得到的模糊故障樹如圖2所示。
由于地鐵系統(tǒng)較大,本文僅針對典型的車站級監(jiān)控系統(tǒng)故障進行可靠性研究。
2.3.1 車站級監(jiān)控系統(tǒng)模糊故障樹分析
地鐵的車站級監(jiān)控系統(tǒng)(SISCS)是一套具有完整結構的自治系統(tǒng),具自律性,可以獨立完成車站各個系統(tǒng)的監(jiān)控工作,不依賴控制中心,也可以提供本站的實時數(shù)據(jù)服務,是全線ISCS的基本單位[6]。
車站ISCS主要由以下系統(tǒng)組成:車站以太網(wǎng)交換機(冗余配置)、車站實時服務器(冗余配置)、雙屏綜合監(jiān)控工作站、車站前端處理器(冗余配置)、綜合后備盤(IBP盤)、車站報表打印機和操作臺。結構圖如圖3所示。
由車站ISCS的結構可以建立其模糊故障樹,如圖4所示。
對于基本事件較少情況下采用下行法可得最小割集[5],對于大型系統(tǒng)可使用軟件分析,地鐵車站級監(jiān)控系統(tǒng)故障最小割集:[X1,X2],[X3,X4],[X5,X9],[X5,X12],[X5,X10,X11],[X8,X9],[X8,X12],[X8,X10,X11],[X6,X7,X9],[X6,X7,X12],[X6,X7,X10,X11]。
根據(jù)車站級模糊故障樹按照以下步驟進行定量分析:
(1)根據(jù)工程技術人員的經(jīng)驗和設備的指標可以構造出基本事件故障的隸屬度函數(shù),從而由三角函數(shù)模糊數(shù)理論得到基本事件的模糊數(shù),即每個基本事件的模糊故障率。
(2)在定性分析中的故障樹的基礎上,按照模糊邏輯門的運算規(guī)則,計算中間事件和頂事件發(fā)生故障的模糊概率。
根據(jù)模糊論和三角模糊數(shù),可以對基本事件進行模糊處理,按照模糊故障樹的擴展門,可以得到車站級監(jiān)控故障的模糊概率表達式:
(3)系統(tǒng)一旦發(fā)生故障,應首先根據(jù)模糊重要度最大的設備和部件開始分析,并按照模糊重要度的大小順序,來找尋故障的原因。
文章將模糊故障樹理論運用于地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性分析,介紹了模糊故障樹分析方法的基本原理和步驟,并對典型車站級監(jiān)控系統(tǒng)故障進行了定性和定量分析。在計算機的輔助下,便可以對整個地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)建立完善的系統(tǒng)模糊故障樹,進而在大范圍內(nèi)找出薄弱壞節(jié),對其設計及可靠性研究有著重要的工程意義。
參考文獻
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[2] 湛維昭.地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成模式[J].都市快軌交通,2007,20(4):82-85.
[3] 孫權.應用故障樹解決實際問題[J].電子質(zhì)量,2005(8):26-31.
[4] 朱繼洲.故障樹原理和應用[M].西安:西安交通大學出版社,1989.
[5] 李冬娜.系統(tǒng)模糊可靠性研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2008.
[6] 馬克剛.地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)可靠性評估體系框架[J].都市快軌交通,2010,23(1):63-66.